Учебное пособие по курсу «Экологическая оценка агроминеральных ресурсов»

11

Разведанные запасы цеолитов Татарско - Шатрашанского месторождения имеются в наличии около 100 млн. тонн, а по прогнозным данным - 300-400 млн. тонн.

Контрольные вопросы.

1.Какие месторождения цеолитов обнаружены в Татарстане?

2.Какой мощности может достигать цеолитоносная толща?

3.Чем отличается воздействие цеолитовых пород различного состава в растениеводстве и животноводстве.

4.Какой состав оксидов в цеолитсодержащих породах?

5.В какой части Татарстана сосредаточены основные запасы цеолитов?

6.Как можно применять цеолитсодержащие породы Татарстана в земледелии?

7.Какой минералогический и химический состав имеют цеолитсодержащие породы Татарско-Шатрашанского месторождения.

2.2.Использование цеолитов для повышения плодородия почв. Примеры использования цеолитсодержащих

пород в мелиорации.

За последние годы в связи с интенсификацией земледелия происходит резкое ухудшение физико-химических свойств почв. Так на территории республики площади почв с кислой реакцией среды составляют 1487,5 тыс. га. Повышенная кислотность почвы является одним из негативных факторов, препятствующих получению высоких и стабильных урожаев сельскохозяйственных культур. Кислые почвы имеют сравнительно низкое плодородие.

Положительное влияние мелиорантов на физико-химические свойства почвы, урожай и качество продукции отмечается во многих исследованиях. Насыщение почвенно-поглощающего комплекса кальцием и магнием увеличивает его емкость, создает предпосылки для эффективного использования минеральных удобрений. Кроме того, становятся более доступными имеющиеся в почве соединения фосфора, активизируются процессы нитрификации и фиксации азота клубеньковыми бактериями.

Опытные исследования данных агрохимической оценки и активное применение в земледелии местных цеолитсодержащих пород были проведены на серой лесной почве ОПХ «Центральное» Лаишевского района и на выщелоченном черноземе СХПК им Фрунзе Дрожжановского района.

Исследованиями установлено, что применение цеолитов на фоне минеральных удобрений имело положительные изменения уровня почвенной кислотности.

Зависимость сдвига рН в от дозы их внесения на фоне умеренных доз мин е- ральных удобрений на серой лесной почве составлял 0,36-0,70 единиц, на фоне

12

повышенных доз - 0,42-0,74 единиц рН. Также в зависимости от увеличения доз внесения цеолитов происходил положительный общий сдвиг рН. 4-х летние наблюдения за динамикой обменной кислотности выявили, что значения рН почвенной среды с течением времени ведет к подкислению и на варианте 10 т/га их положительное действие через 3 года прекращается. Повышенные дозы цеолита 15 и 20 т/га на реакцию почвенной среды и по истечению 4-х лет осталась более нейтральной и превысили исходный показатель на 0,23-0,33 единиц рН.

Такие же изменения, но в несколько меньшей степени произошли и на выщелоченном черноземе. Этими данными подтверждается мнение о высокой буферности черноземов к изменениям кислотных характеристик.

Применение цеолитов оказали положительное влияние и на улучшение питательного режима почв. В частности, улучшение физико-химических свойств почв способно переходить из труднодоступных форм фосфатов в подвижные. А также, присутствие в составе цеолита Р2О5 и К2О также способствовало увеличению в почве содержания подвижного фосфора и обменного калия. Дозы цеолитов на величину подвижного фосфора в серой лесной почве на фоне умеренных доз минеральных удобрений повышалась на 18-31 мг/кг, а от повышенных доз - на 18-40 мг/кг почвы. При применении умеренных доз удобрений содержащий обменный калий в почве был в пределах 132-141 мг/кг, а на фоне повышенных - 140-152 мг/кг почвы( Давлятши и др., 2013; Чекмарев и др., 2015)

Также наблюдения и в опытах на выщелоченном черноземе, там содержание подвижного фосфора увеличивалось на 17-31 мг/кг, обменного калия - на 6-23 мг/кг почвы. Специфическая особенность цеолитов проявляется в высокой сорбционной емкости в отношении катионов аммония (NH4+). Поглощения во внутренней полости кристаллической решетки катионы аммония, цеолиты способствуют удержанию их от процессов нитрификации и вымывания, постепенным высвобождением растениям в течении всей вегетации. При изучении в динамике запасов минерального азота в слое 0-60 см выявлено, что под влиянием цеолитов значительно увеличилось в почвах их количество, особенно аммиачной формы - NH4. Запасы минерального азота в вариантах с внесением цеолитсодержащих пород повысились на серой почве на 23-73 кг/га, на выщелоченном черноземе - на 12-54 кг/га.

Улучшение водных, физико-химических и агрохимических показателей серой лесной почвы и выщелоченного чернозема от внесения цеолитов способствовало значительному росту продуктивности сельскохозяйственных культур (приложение 1-2). Средняя прибавка урожая в звене севооборота (озимая рожь, яровая пшеница, горох, озимая рожь) на серой лесной почве на фоне умеренных доз минеральных удобрений составила 1,6; 2,6; 5,0 ц/га, на фоне повышенных доз - 1,3; 2,9; 4,6 ц/га зерновых единиц. Анализ урожайных

13

данных влияния цеолитов в зернопаровом и зерносвекловичном севооборотах показывает, что внесение цеолита в дозах 10-15 т/га способствовало получению достоверных прибавок урожая.

Контрольные вопросы.

1.Какое влияние оказывают цеолиты на физико-химические свойства почвы?

2.Сдвиг рН в зависимости от дозы внесения цеолитов на серой лесной почве составляет сколько единиц?

3.Как влияют цеолиты на питательный режим почв?

4.Как влияют цеолиты на продуктивность сельскохозяйственных культур?

2.3.Влияние цеолитов на содержание тяжелых металлов в почве и сельхозпродукции. Исследования по поиску путей снижения поступления токсикантов в растительную про-

дукцию.

В условиях усиления антропогенного воздействия на почву и техногенного загрязнения окружающей среды возникает острая необходимость поиска путей снижения поступления токсикантов в растительную продукцию.

Одним из перспективных решений данной проблемы является обогащение почв органическим веществом и минералами, повышающими их поглотительные свойства (клиноптилолит, монтмориллонит). Такие минералы в различных концентрациях содержатся в цеолитсодержащих породах, бентонитовых глинах, глауконитовых песках.

Другим подходом к снижению загрязнения урожая через корневую систему растений является известкование и фосфоритование почв.

Устранение излишней кислотности почвенной среды способствует более прочному закреплению тяжелых металлов и радионуклидов в почве.

Фосфоритование почв приводит к образованию труднодоступных для растений форм фосфатов радионуклидов и тяжелых металлов.

Специалисты Волго-Вятского филиала ВНИПТИХИМ и ФГУ «ЦАС «Татарский» проводили целый комплекс агроэкологических исследований по оценке влияния местных агроруд на накопление тяжелых металлов и радионуклидов в урожае основных сельскохозяйственных культур.

Изучено поведение наиболее приоритетных тяжелых металлов первого класса опасности - свинца, кадмия, меди и цинка и радиоизотопов стронция - 90, цезия - 137.

Исследования проведены на базе стационарных полевых опытов. Установлено, что наряду с положительным действием на эффективное

плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур, местные аг-

14

роруды являются экологическим барьером на пути накопления тяжёлых металлов в почве и поступления их в растительную продукцию.

Максимальные уровни содержания радионуклидов обнаружены в почвах контрольных вариантов и при внесении фоновых удобрений. В зависимости от доз местных агроруд отмечали снижение их содержания в почве, что отражает суть физико-химических процессов более прочного закрепления их в почве, происходящих после внесения мелиорантов.

Другая ситуация наблюдалась в отношении тяжелых металлов. Наибольшее количество ТМ обнаружено в вариантах с внесением фоновых удобрений. Повышение их содержания в почве тесно связано с использованием минеральных удобрений. На фоне удобрений уменьшение извлекаемости ТМ из почвы происходило под воздействием местных агроруд.

Сложившиеся почвенные условия по содержанию токсикантов отражаются и в тенденциях их накопления в урожае сельскохозяйственных культур.

Применение цеолитсодержащих пород в дозах 10-15-20 т/га га на серых лесных почвах Предкамья снизило накопление радионуклидов в урожае зерна озимой ржи на 14,6-61,8%, ТМ - на 7,5-66,7%, а использование бентонитовых глин в дозах 6-9-12 т/га - способствовало уменьшению накопления их соответ-

ственно на 4,9 - 39,5 и 16,0 - 85,7 %.

Фосфоритование выщелоченного чернозема фосфоритной мукой в дозах 200 - 400 - 600 кг/га д.в. способствовало снижению накопления радионуклидов и ТМ в урожае яровой пшеницы соответственно на 4,8-46,6 11,2-55%.

Внесение глауконитового песка в дозах 5 - 40 т/га в темно - серую лесную почву Предволжья позволило уменьшить накопление радионуклидов и ТМ в урожае зеленой массы кукурузы соответственно на 5,9 - 66,3 и 10-88 %.

Контрольные вопросы.

1.Какие глинистые минералы имеют повышенные поглотительные свойства?

2.В каких породах содержатся глинистые минералы?

3.Как влияет излишняя кислотность почвенной среды на подвижность тяжелых металлов и радионуклидов?

4.Какие тяжелые металлы относятся к первому классу опасности?

5.С чем связано снижение загрязнения урожая сельскохозяйственных культур при известковании и фосфоритовании?

3.Общая характеристика сырьевой базы глауконитов в РТ.

Цеолитсодержащие глинистые породы развиты в юго-западной части

Республики Татарстан в пределах Дрожжановского района. Видна связь их с альбскими образованиями, подстилающими мергельно-кремнистые

15

цеолитсодержащие породы турон-сантонского возраста, выделяются в продуктивную толщу на Татарско-Шатрашанском и Городищенском месторождениях.

Промышленная цеолитоносность альбских глин (более 15% цеолитов) была установлена А.Н.Тюриным (1992).

Строение и вещественный состав. Разрез альбских отложений разделяется на два литологических горизонта: нижний – песчанистый и верхний – глинистый. На размытой поверхности аптских глин залегают кварцевые пески с галькой кварца и кремнистых пород. Мощность их невелика (0,2-0,5 м), а часто они просто отсутствуют в разрезе. Тогда непосредственно на аптских глинах залегают альбские кварц-глауконитовые пески с желваками фосфоритов, мощность которых составляет 2,5-3,5 м. Кварц-глауконитовые пески перекрываются толщей цеолитовых глин, безызвестковистых, плотных, тугопластичных. В ее подошве глины темно-серые, в той или иной мере алевритистые, линзовидно-слоистые. Венчают разрез толщи и альбских отложений в целом глины зеленовато-коричневые, алевритистые, комковатые, с единичными маломощными (0,1-0,3 м) прослоями опок. Верхняя граница альбских глин глубоко размыта, поэтому мощность их подвержена резким колебаниям от 7 до 16 м.

Цеолитсодержащие глины альбского возраста характеризуют собой новый, пока еще слабо изученный тип цеолитового сырья и требуют постановки целенаправленных геологоразведочных работ с комплексом технологических испытаний. Реализация их позволит определить новые несвойственные для мергельно-кремнистых пород высокоэффективные направления применения, расширить ассортимент выпускаемой цеолитовой продукции и существенно (в 1,5 раза) увеличить потенциал цеолитового сырья Республики Татарстан.

Глаукониты являются низкотемпературные магнезиально-железистые гидрослюды с обобщенной формулой:

постепенный переход через стадию смешаннослойных минералов в чистый монтмориллонит. Особенными признаки глауконита являются высокое содержание железа с преобладанием окисных форм над закисными: оксида железа (III) до 28%, закиси железа (II) – 8,6, оксида магния – 4,5, оксида калия

– 9,5% и достаточно высокие адсорбционные и ионообменные свойства (удельная поверхность 40–100 м2/г, обменная емкость 15-30 мг-экв на 100 г породы) (Дистанов и др.,1985).

Внешними признаками глауконита являются наличие микроагрегатных

16

зерен зеленого цвета размером от 0,01 до 0,8 мм. К глауконитсодержащим относятся кварцевые пески, мел – мергельные, кремнистые и туфогенные породы. Самый характерный для песчаноглинистых образований, с содержанием до 70-80% при мощности пластов с десятками метров и протяженностью десятками-сотнями километров.

Глауконит является типичным морским минералом, формирующимся преимущественно в шельфовой зоне в стадии диагенеза осадков, в результате сокоагуляции гелей железа, алюминия и кремния с последующими взаимодействиями их с морскими и иловыми водами, которые содержали калий и магний.

Благодаря своей яркой зеленой окраске (переходящей при прокаливании в розово-палевую), адсорбционным и ионообменным свойствам, глаукониты перспективны для использования в различных направлениях: производстве высокоустойчивых клеевых, фасадных, известково-цементных и силикатных красок; получении объемноокрашенного ячеистого бетона и силикатного кирпича; смягчение воды в сахарной, пивоваренной, текстильной промышленности, на тепловых электростанциях; осветлении и очистке масел, нефтепродуктов; очистке сточных вод от радиоактивных изотопов, цветных металлов и поверхностно-активных веществ (Дистанов и др., 1990). Однако наиболее массовое применение глауконита следует ожидать в сельском хозяйстве.

Одно из наиболее перспективных направлений – использование глауконитовых концентратов и глауконитсодержащих пород в качестве бесхлорного калийного или комплексного удобрения постепенного действия. Полезные их свойства определяются следующими факторами: высоким (до 9,5%) содержанием K2O, способностью зерен глауконита быстро разрушаться, и переводить калий в легко усвояемые формы; нередко высоким содержанием в породах тонкорассеянного фосфатного вещества (P2O5 до 4,5% и более) и микроэлементов (Mn, Cu, Co, Ni, B, V и др.), а также сорбционными и ионообменными свойствами, способностью удерживать в почве влагу, поглощать из почвы радионуклиды, пестициды и др.

Глауконитовые пески связаны с образованиями мезозоя, которые развиваются в юго-западной части Республики Татарстан. Они отличаются невысоким (20-40%) содержанием глауконита, а также тонким (0,05-0,2 мм, реже до 0,4 мм) гранулометрическим составом и, в лучшем случае, могут быть охарактеризованы как глауконитсодержащие алевритовые пески или алевриты. Пласты глауконитовых песков устанавливаются, как правило, в совместном залегании с фосфоритами (фосфатно-глауконитовый геолого - промышленный тип) и, в силу практической значимости последних, часто объединяются в

17

единую фосфоритоносную толщу.

Продуктивность глауконитовых песков определялась по валовым пробам, отобранным из шурфов, и составляет в целом по пласту 1966,3 кг/м2. Запасы глауконитовых песков на Вожжинском месторождении подсчитаны на площади 53,5 га и оценены в количестве 689 тыс. т (Тюрин, 1997).

Ресурсы глауконитовых песков в Больше – Аксинском участке можно оценить в количестве 65000 тыс. т

Минеральный состав глауконитовых песков прост и однообразен. Глауконит, кварц, полевой шпат и глинистые минералы составляют до 95% породы, а в альбских глауконитовых песках присутствуют еще и цеолиты (1020%).

Контрольные вопросы.

1.Какова особенность строения альбскихотложений?

2.В чем особенность химического состава глауконита?

3.Каковы основные внешние признаки глауканита?

4.В качестве какого удобрения можно применять глаукониты?

5.В каких направлениях производства перспективно применение глауконита?

6.В чем особенность минералогического состава глауконитовых песков?

3.1.Глауконитовые пески Сюндюковского месторождения Использование глауконитов для улучшения

плодородия почв.

Желваковым фосфоритам Сюндюковского месторождения сопутствуют глауконитовые пески. Ресурсы их по предварительным данным превышают 10 млн. тонн. Глауконит - типичный морской минерал, формирующийся в осадках в конечной стадии седиментогенеза - диагенеза.

В природе глауконит встречается в виде зернистых агрегатов совместно с терригенными (кварц и др.) глинистыми минералами.

Основными породообразующими минералами глауконитовых песков являются глауконит, глауконит-монтмориллонит. Их состав характеризуется наличием целого ряда элементов питания для растений, (в %): P2O5 - 2,5 - 4,8;

К2О - 2,0 - 8,0; сера до 1,0; MgO - 1,2 - 4,7; СаО - 7,9- 20,0; Fe2O3 - 4,0 - 7,0, а

также микроэлементы (марганца, кобальта, меди, бора и никеля).

Однако глауконитовые пески Сюндюковского месторождения в земледелии республики не использовались и после разработки фосфоритов шли в отвал.

Внесение глауконитсодержащих песков Сюндюковского месторождения РТ в темно – серую лесную почву в дозах 5, 10, 15 и 20 т/га на фоне

18

минеральных удобрений в течение трех лет продолжало положительно влиять на агрохимические свойства почвы. При этом улучшалась реакция почвенной среды, повышались емкость поглощения и насыщенность почвы основаниями, содержание в ней подвижных форм фосфора (P2O5), серы ( S) и обменного калия. С увеличением дозы внесения песков увеличивалось их положительное влияние на агрохимические свойства почвы. Под действием глауконитовых песков возрастала урожайность сельскохозяйственных культур. (Ишкаев и др.,

1998).

Учитывая актуальность и неизученность данного вопроса с целью агроэкологической оценки возможности использования глауконитовых песков в земледелии республики Волго-Вятский филиал ВНИПТИХИМ совместно с ФГУ «ЦАС «Татарский» в стационарном опыте на серой лесной почве совхоза - техникума «Тетюшский» поставил целый ряд комплексных опытов по выявлению эффективности использования глауконитового песка Сюндюковского месторождения.

Результаты исследований свидетельствуют о заметном улучшении агрохимических показателей почвы и эффективности глауконитового песка в качестве комплексного удобрения (прил. 3-4).

Зависимость сдвига кислотности от доз глауконита (х1) и времени взаимодействия (х2) на фоне минеральных удобрений выражается уравнениями регрессии:

рН (N) = 5,0 + 0,014 Х1 – 0,058 · Х2; R = 0,89.

рН (NP) = 49+ 0,0075 Х1 – 0,024 · Х2; R = 0,74.

рН (NРК) = 5,1 + 0,0148Х1 – 0,075 · Х2; R = 0,96.

Из уравнений регрессий, сдвиг рН в сторону нейтрализации реакции от 1 тонны глауконита составил: 0,0114 единиц на фоне азотных, 0,0075 - азотнофосфатных и 0,018 - на фоне полного минерального удобрения.

Больший эффект от действия глауконита повлияло на фосфатный режим почвы. Глауконитовые пески содержат в своем составе 2,5-4,8 % Р2О5, и могут быть в качестве источника улучшения условий питания растений этим элементом. В зависимости от содержания подвижного фосфора от доз глауконита х1 на его изменения во времени х2 определяется следующими уравнениями регрессии:

Так из расчетов видно, что на каждую тонну глауконита в прямом действии содержание подвижного фосфора в почве повышается на 4,3 мг/кг на фоне азотных, 3,8 мг/кг - на фоне азотно-фосфорных, и на 2,9 мг/кг - на фоне полных минеральных удобрений. В целом за 4 года после внесения глауконитового песка содержание подвижного фосфора в почве фактически увеличилось на 17-72 % на

19

фоне азотных, на 16-90 % - азотно-фосфорных и 4-53 % - на фоне полных минеральных удобрений

Глауконит воздействует на содержание обменного калия в почве специфически. Увеличивается содержание его в почве спустя три года после внесения глауконита, это происходит за счет более крепких связей калия в кристаллической решетке глауконита. По истечении четвертого года содержание обменного калия в почве увеличилось на 10-78 мг/кг - на фоне азотных, 2-74 мг/кг - на фоне азотно-фосфорных, и на 10-48 мг/кг - на фоне полных минеральных удобрений.

С применение глауконита связано увеличение содержания подвижной серы в почве, которая в зависимости от фона минеральных удобрений в среднем на 0,47 - 0,59 мг/кг на 1 т мелиоранта, что видно по нижеприведенным уравнениям регрессии, где х1 - доза глауконитового песка, х2 - время взаимодействия.

Улучшаются агрохимические свойства почвы, которые способствуют повышению продуктивности сельскохозяйственных культур. Все изученные дозы глауконита, кроме 5 т/га, способствовали достоверным прибавкам урожая возделываемых культур в звене севооборота.

За годы действия глауконита максимальная прибавка урожая зерновых (8,1 - 11,2 ц/га) составила от 15-20 т/га глауконита. В дальнейшем увеличив его дозу до 40 т/га не повлияло на дальнейшее повышение урожая.

Всреднем каждые 10 т внесенного глауконита ежегодно способствовали увеличению урожая на 4,3 ц/га зерновых единиц. Наибольшая прибавка получена на фоне азотных удобрений. Положительный эффект глауконита на фоне азотно-фосфорных и полных минеральных удобрений был несколько ниже.

Врезультате обобщения данных продуктивности звена севооборота с учетом четырех сборов урожая выявлены уравнения связи урожайности сельскохозяйственных культур (У) с дозами глауконита (Х) по фонам удобрений:

Глауконитовые пески положительно влияют на агрохимические свойства почвы. В зависимости от дозы внесения величина рН возросла на 0,3-0,8 единицы, заметно повысилось содержание в почве подвижного фосфора, обменного калия и серы.

Применение глауконита обеспечивало получение прибавок урожая сельскохозяйственных культур во все годы исследований. Достоверные прибавки получены при дозах, превышающих 5 т/га, и составили: на фоне азотных

20

удобрений 1,3-11,2 ц/га, на фоне азотно-фосфорных - 2,8-6,1 ц/га, на фоне полных удобрений - 2,2-8,1 ц/га с наибольшими показателями от доз мелиоранта

15-20 т/га.

Таким образом, использование Сюндюковского глауконитового песка эффективно для повышения плодородия почв и урожайности сельскохозяйственных культур.

Контрольные вопросы.

1.Какие питательные элементы содержатся в глауконитовых песках и в какой концентрации?

2.Почему глауконит воздействует на содержание обменного калия специфически?

3.Каково действие глауконита на урожай сельскохозяйственных культур?

4.При каких дозах применения глауконитовых песков получены достоверные прибавки урожая?

4.Использование бентонитов в сельскохозяйственном производстве

вцелях улучшения экологической обстановки.

Эффективность бентонитов в земледелии.

Бентониты представляют собой тонкодисперсные глины, они состоят около 60% из минералов группы монтмориллонита. Общая формула:

(Ca, Na) (Mg, Al, Fe)2 (OH)2 [(Si, Al)4 O10 ] * nH2O)

Такой состав определяет высокую связность, тиксотропность, а также ионообменную, адсорбционную и каталитическую способность. Как правило они могут быть плотными, жирными на ощупь, чаще голубоватых, желтых и зеленоватых тонов, во влажном состоянии они очень липкие и вязкие. Примесями в бентонитах бывают гидрослюды, каолинит, палыгорскит, цеолиты и др. Состав обменных катионов различается на щелочные (натриевые и кальций-натриевые) и щелочноземельные (кальциевые, кальциймагниевые) разности. В первом случае это приводит к высокой коллоидальности, набухаемости, пластичности и связующей способности с обменной емкостью более 60 мг-экв на 100 г сухой породы. Щелочноземельные бентониты по указанным параметрам уступают натриевым, но по некоторым технологическим процессам имеют высокие адсорбционные и другие свойства.

Месторождения бентонитов имеют сопутствующие породы. Исходя из условий образования среди них выделяются такие геолого-промышленные типы: